Двигатель внутреннего сгорания ДВС (стр. 1 из 2)

В настоящее время никого не удивишь использованием двигателя внутреннего сгорания. Миллионы автомобилей, бензогенераторов и других устройств используют в качестве привода ДВС (двигатели внутреннего сгорания). Появление этого типа двигателя в 19 веке обусловлено в первую очередь необходимостью создания эффективного и современного привода для различных промышленных устройств и механизмов. В то время, в основной своей массе, использовался паровой двигатель. Он имел массу недостатков, например, низкий коэффициент полезного действия (т.е. большинство энергии затрачиваемой на производство пара просто пропадало), был достаточно громоздким, требовал квалифицированного обслуживания и большого количества времени на запуск и остановку. Промышленности требовался новый двигатель лишенный этих недостатков. Им стал двигатель внутреннего сгорания, об истории создания которого мы расскажем в этой статье.

Схема работы двухтактного двигателя

Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) — это тип двигателя, тепловая машина, в которой химическая энергия топлива (обычно применяется жидкое или газообразное углеводородное топливо), сгорающего в рабочей зоне, преобразуется в механическую работу. Несмотря на то, что ДВС являются несовершенным типом тепловых машин (сильный шум, токсичные выбросы, меньший ресурс), благодаря своей автономности (необходимое топливо содержит гораздо больше энергии, чем лучшие электрические аккумуляторы) ДВС нашли очень широкое распространение. Основным недостатком ДВС является то, что он производит высокую мощность только в узком диапазоне оборотов. Поэтому неотъемлемыми атрибутами двигателя внутреннего сгорания являются трансмиссия и стартёр. Лишь в отдельных случаях (например, в самолётах) можно обойтись без сложной трансмиссии. Кроме этого ДВС нужны топливная система (для подачи топливной

смеси) и выхлопная система (для отвода выхлопных газов).

Еще в 17 веке голландский физик Кристиан Хагенс (Christian Huygens) начал эксперименты с двигателями внутреннего сгорания, а в 1680 году был разработан теоретический двигатель, топливом для которого служил черный порох. Однако до воплощения в жизнь идеи автора так и не дошли.

Нисефор Ньепс (7.03.1765 – 3.07.1833)

Первым, кому удалось создать первый в мире действующий двигатель внутреннего сгорания был Нисефор Ньепс (Nisefor Neps). Он родился 240 лет назад, в старинной дворянской семье. Так же, как и старший брат Клод, он учился в коллеже отцов-ораторианцев. Понятно, что естественнонаучного образования он там не получил. Но и гуманитарные дисциплины он учил, видимо, плохо, так как завалил по ним выпускной экзамен. В 23 года он собрался изучать юриспруденцию, но через год, в 1789 грянула Великая французская революция. Братья Ньепсы вскоре стали офицерами революционной армии. Отдав делу гражданских свобод три года, они вышли в отставку и поселились в своем поместье. С этого времени они посвятили себя изобретательству. Французская республика крайне нуждалась в источниках сырья и энергии. Правительство, в поддержку патриотизма, назначало крупные награды за решение важных для страны вопросов. Так, например, огромная сумма была обещана за выращивание растения марены, из которой добывался краситель - индиго. Братья выращивали марену, но премия им, увы, не досталась. Они изобрели водоподъемную машину для Версаля, но Наполеон отдал заказ крупному промышленнику. Такими же, неутешительными по финансам, стали изобретенные ими способы получения волокон и крахмала из местных растений.

Братья не унывали. В 1806 году они представили в Национальный институт (так называлась тогда французская Академия наук) доклад о новой машине, которая «по силе была бы сравнима с паровой, но потребляла бы меньше топлива». Братья назвали ее «пирэолофор». С греческого это можно перевести как «влекомая огненным ветром». Работала она на угольной пыли, а не на бензине или газе. Понятно, что тогда не было ни газовой, ни нефтеперерабатывающей промышленности. Заметим также, что первый двигатель Дизеля тоже работал на угольной пыли, интерес к которой как к топливу возродился вновь во второй половине 20 века.

Итак, пирэолофор. Это изобретение вызвало большой интерес. Двум комиссарам было поручено разобраться в изобретении. Одним из комиссаров был Лазар Карно. Карно дал положительный отзыв, даже попавший в газеты. Хотя у двигателя был ряд недоработок, многие из них нельзя было устранить на то время из-за отсутствия необходимых технологий: поджиг пыли, например, осуществлялся при атмосферном давлении, распределение горючего вещества внутри камеры было неравномерным, да и прилегание поршня к стенкам цилиндра требовало совершенствования. В те времена поршень паровой машины считался подогнанным к стенкам цилиндра, если между ними с трудом проходила монета(!).

Братья построили двигатель и оснастили им в 1806 году трехметровую лодку, весом 450 кг. Лодка ходила вверх по речке Соне со скоростью вдвое больше скорости течения. Учтите, что свою первую неудачную попытку спуска парохода Фултон осуществил в 1803 г., а знаменитый «Клермонт» начал плавание на год позже лодки Ньепсов, в 1807 г. Братья-изобретатели искали возможности заручиться чьей-то финансовой поддержкой, и приняли решение добиваться аудиенции у Наполеона. Они готовили для демонстрации небольшое судно с двухцилиндровым двигателем. Но на дворе был уже 1811 год, и Наполеон не приехал в Лион, где должны были быть испытания, поскольку он готовился к походу на Россию. Ну, а после российской кампании императору уже было не до двигателей.

Чертежи к патенту Н.Ньепса на изобретение двигателя для моторной лодки.

Позже Нисефор Ньепс вычитал в трудах химика Лавуазье, что нефтяные «летучие масла» дают с воздухом взрывоопасные смеси, и сразу оценил этот факт. Но… во Франции кончалось действие патента на пирэолофор (двигатель), и в 1817 году старший брат Клод едет в Англию, в надежде продать патент там. Расставшись с Нисефором, Клод продолжает работать над пирэолофором самостоятельно, и ведет свою изобретательскую мысль в какую-то другую сторону. В какую – Нисефору трудно понять: боясь разглашения секретов, брат ничего открыто не рассказывает в своих письмах, а только просит без конца денег и обещает, что вот-вот будет результат. И уже позже Нисефор из

писем узнает, что Клод бьется над двигателем, не потребляющим силы, т.е. над вечным двигателем!! Увы, увы.

Силовая установка на основе изобретения Ньепса

Однако… помните Лазара Карно? У него был сын – лейтенант Главного штаба Сади Карно, который в 1824 году издает в 200 экземплярах работу, увековечившую впоследствии его имя. Это «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу». В этой книжке он заложил основы термодинамики – теории для разработки двигателей внутреннего сгорания. В книге упоминалась машина Ньепсов, которая, возможно, и натолкнула Сади Карно на размышления о двигателях будущего – всех двигателях внутреннего сгорания: и газовых, и карбюраторных, и дизельных. Он также предлагает дальнейшее совершенствование двигателя, начиная от сжатия воздуха в цилиндре и т.д.

Нисефор Ньепс никому не сумел продать свой двигатель для коммерческого производства, а до воплощения фотографического процесса в окончательном виде просто не дожил. На родине, во Франции, его еще помнят – памятник поставили (правда только, как творцу фотопроцесса).

Пройдет еще четверть века, прежде чем английский физик Уильям Томсон (лорд Кельвин) и немецкий физик Рудольф Клаузиус возродят идеи Карно и сделают термодинамику наукой. О Ньепсах вообще никто не вспомнит. А следующий двигатель внутреннего сгорания появится лишь в 1858 году у бельгийского инженера Жан Жосефа Этьен Ленуара (Jean Joseph Étienne Lenoir). Двухтактовый электрический карбюраторный двигатель, двигатель с искровым зажиганием, топливом для которого служил каменноугольный газ, станет первым коммерчески успешным двигателем такого рода. Первый двигатель проработал лишь несколько секунд из-за

отсутствия системы смазки и системы охлаждения, которые были успешно применены на последующих образцах. В 1863 году Ленуар улучшил конструкцию своего двигателя, использовав вместо газового топлива, керосин. На нем трехколесный прототип современных машин проехал исторические 50 миль.

Двигатель Ленуара не был лишен недостатков, его КПД достигал лишь 5%, он не очень эффективно расходовал топливо и смазочные материалы, слишком сильно нагревался и т.д. и т.п., но это был первый, после долгих лет забвения, коммерчески успешный проект создания нового двигателя для нужд промышленности.

В 1862 году французский ученый Альфонс Беу де Рохас (Alphonse Beau de Rochas) предложил и запатентовал первый в мире четырехцилиндровый двигатель. Но до его создания, а тем более коммерческого производства дело так и не дошло.

1864 год – австрийский инженер Зигфрид Маркус (Siegfried Marcus) создал первый в мире одноцилиндровый карбюраторный двигатель, работающий от сгорания сырой нефти. Несколько лет спустя этот же ученый сконструировал транспортное средство, передвигающееся со скоростью 10 миль в час.

1873 год – Джордж Брайтон (George Brayton) предложил новую конструкцию 2-х цилиндрового карбюраторного керосинового двигателя, в последствие ставшим бензиновым. Это был первая безопасная модель, правда слишком массивная и медленная для коммерческого использования.